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Cómo la ciencia ficción se convierte en realidad científica

El sueño de muchos es ser llevados del punto A al punto B sin esmero por su lado – un sueño que se materializa en KITT, “el vehículo fantástico”, o bien los vehículo de la película “El quinto elemento”. Los vehículos modernos se aproximan poco a poco más a estas visiones del futuro y múltiples tecnologías de sensor desempeñan uno de los papales más esenciales acá. Una de las más prometedoras es lidar.

Como el radar, lidar es un procedimiento de detección y distancia (detection and ranging – DAR). Los dos utilizan exactamente la misma forma de ecolocalización que los murceguillos. Emiten ultrasonidos y advierten dónde están los objetos o bien las presas en función de de qué manera rebotan. Al tiempo que el radar emplea ondas de radio, el lidar emplea ondas de luz.

Los sensores lidar emplean un diodo de láser pulsado que manda un pulso de luz. Si se refleja en un obstáculo, el sensor lo advertirá. El tiempo de vuelo (time of flight – ToF), que es el tiempo que transcurre entre la emisión y la recepción de las ondas de luz, deja calcular la distancia entre el sensor y el obstáculo.

Detectores enormemente sensibles

Las ondas de luz se desperdigan en muchas direcciones dependiendo de la distancia y la manera del objeto reflectante o bien ser vivo. Este es el motivo por el cual cuanto más extenso sea el rango del detector, más precisa va a ser la imagen del ambiente que se genera – puesto que puede captar aún más reflexiones. Los presentes sensores lidar utilizan matrices de fotodiodo de avalancha (APD) de 8, 12 o bien dieciséis diodos. Cada diodo representa un pixel de la imagen completa. Esto quiere decir que, aparte del tamaño de la matriz, la distancia entre los diodos (=píxeles) asimismo es un factor en la resolución del sensor. La sensibilidad de los APD asimismo tiene relevancia. En el mejor caso, deberían advertir la menor cantidad posible de trazas del haz reflejado.

El haz de luz ideal

La longitud de los pulsos de luz desempeñan un papel esencial en la resolución del sensor, razón por la que los fabricantes de lidar ponen mucho esmero en el desarrollo de longitudes de pulso lo más cortas posibles. Hoy día, miden cinco ns en promedio y hasta un máximo de diez ns. Otro factor es el tamaño del haz de luz. Puesto que el diodo láser manda un haz de luz exageradamente enfocado, solo puede medir la distancia de un punto que tiene exactamente el mismo tamaño. Esto no basta para su empleo en sistemas de asistencia al conductor (ADAS) y mucho menos en automóviles autónomos. Hay múltiples soluciones para ampliar el campo de visión (FOV). Acá, el reto es advertir aun las caras más pequeñas en un campo de visión grande.

Seguridad para los ojos y la piel

Una restricción en el desarrollo de lidar es la seguridad ocular. Debido que los rayos láser pueden afectar a las retinas de las personas, en especial cuando se utilizan en aplicaciones de tráfico, es fundamental asegurar que no ocasionan daños. La piel asimismo puede ser “atacada” por los láseres. El estándar EN sesenta ochocientos veinticinco-1 define múltiples clases dependiendo del peligro para los ojos y la piel – tanto la longitud de onda como la longitud de pulso son las protagonistas acá. Mostramos 3 ejemplos de las clases de láser: la Clase 1 se aplica para la radiación láser que no resulta peligrosa o bien se utiliza una cubierta cerrada, al paso que la Clase dos se emplea para la radiación láser en el rango de fantasma perceptible de cuatrocientos a setecientos nm. Con un tiempo de exposición de hasta 0,25 s, no es perjudicial para los ojos. Los láseres de Clase cuatro sí son enormemente peligrosos para los ojos y la piel, aun si se desperdigan.

Flash lidar – luz esparcida

Un procedimiento de extender el FOV se basa en esparcir el haz de luz para cubrir un mayor campo de visión con un extenso ángulo de haz. Conocido como “flash lidar”, si bien la luz es difusa en un caso así, es considerablemente más enclenque que un haz de luz enfocado. Incluso de esta forma, para conseguir mejoras en alcance y resolución, se emplean los diodos láser con una salida altísima de 1–2 kW.

Para aquellas aplicaciones donde solo se precisa advertir objetos a corta distancia, los diodos láser de emisión superficial con cavidad vertical (VCSEL) con una longitud de onda de ochocientos cincuenta a novecientos cuarenta nm resultan ideales. Se pueden emplear en el momento de desarrollar matrices 2D potentes. Para los detectores, los sensores de elevada sensibilidad que pueden advertir hasta fotones individuales – conocidos como diodos de avalancha de fotón único (SPAD) –pueden ser ventajosos. Con la pretensión de acrecentar el alcance y hacer en frente de las condiciones de exposición intensa a la luz del sol, la Sociedad Fraunhofer ha desarrollado detectores SPAD CMOS para circuitos y sistemas microelectrónicos. Los SPAD se integran un proceso CMOS que está certificado para el campo de la automoción y ha sido optimado para aplicaciones optoelectrónicas. Esto deja generar fotodiodos de avalancha rapidísimos y enormemente sensibles con una amplificación momentánea de hasta ciento ocho, elevadas ratios de pulso y bajo estruendos.

Laser Components ofrece un sensor flash lidar con SPAD CMOS – el SPAD2L192 es un sensor CMOS de estado sólido de 192×2 pixeles para aplicaciones flash lidar. Mide distancias basadas en el principio de ToF directo de primer fotón. Los detectores de fotón único dan una sensibilidad altísima y una resolución temporal elevada. El convertidor de tiempo a digital con una resolución temporal de trescientos 12 con cinco ps y un valor de final de escala de uno con veintiocho μs deja un rango nominal de ciento noventa y dos m y una resolución a una distancia de cuatro,7 cm.

Scanning lidar – espéculos móviles

Para sostener la intensidad de la luz al cubrir un FOV más extenso, la tecnología scanning lidar emplea el principio de “escanear” el campo con un haz de luz. Utilizando microespejos en movimiento, la luz se dirige sobre el FOV a escanear. Los sensores scanning lidar acostumbran a emplear entre uno y dieciséis diodos láser. Los láseres edge-emitting (EEL) con una longitud de onda de novecientos cinco nm logran los mejores resultados acá, al paso que los diodos láser de alta potencia con más de cien W alcanzan distancias de hasta ciento cincuenta m.

Como solo se precisa contar con unos pocos diodos con una potencia parcialmente baja, los sensores scanning lidar ofrecen buenas propiedades térmicas. Esto permite ratios de pulso altísimas, dejando resguardar los ojos aun con una longitud de onda de novecientos cinco nm.

El FOV acostumbra a ser de ciento cuarenta y cinco ° en el eje “y” y tres con dos ° en el eje “z”. En teoría, debe ser posible un escaneado panorámico de trescientos sesenta ° con esta tecnología, mas en la práctica tiende a haber “puntos ciegos” – el haz de luz es inútil de examinar los aledaños – por este motivo, las soluciones de radar y cámara sumes dan una solución opción alternativa para esta grieta. No obstante, debido a su tamaño y diseño poco robusto, los sensores scanning lidar no resultan convenientes para empleo en los automóviles. Tienen unas dimensiones de unos diez,5 x seis x diez cm, siendo demasiado grandes para, por servirnos de un ejemplo, emplearse en el armazón de un faro. Los espéculos móviles asimismo son altamente sensibles a las vibraciones, el impacto, el polvo y las temperaturas extremas encontrados en los vehículos.

Los diodos apropiados se hallan libres mediante Laser Components – la serie 905DxxUA incluye diodos de láser de pulso con diseños de unión fácil y múltiple con una salida de láser de hasta ciento diez W y una longitud de onda de novecientos cinco nm. Los componentes son completamente fiables, ofrecen una estabilidad térmica inusual y posen una alineación de chip precisa en un encapsulado sellado herméticamente. Esto causa que resulten ideales en labores de medición de distancia y detección de obstáculos, equipos de inspección, radares láser y muchas aplicaciones médicas. Los modelos con la calificación AEC-Q101 asimismo se pueden utilizar en los turismos.

Los Si-APD o bien las matrices Si-APD están recomendados para los detectores. La serie SAHA de Si-APD de Laser Components está optimada para longitudes de onda de ochocientos cincuenta a novecientos cinco nm. El material semiconductor es singularmente eficaz acá y los diodos de láser pulsado asimismo emiten a estas longitudes de onda. En un encapsulado SMD en miniatura, los Si-APD aportan elevada eficacia cuántica y, por tanto, alta sensibilidad y bajo estruendos. Las matrices de la serie SAH1Lxx con 8, 12 o bien dieciséis Si-APD de alta sensibilidad en un encapsulado LCC44 con una ventana protectora dan exactamente las mismas peculiaridades. Ofrecen un apartado bajísimo de cuarenta µm. Asimismo se halla libre una matriz con 12 APD en un encapsulado DIL de catorce pines. Además de la matriz estándar, asimismo existen versiones adaptadas con números y tamaños concretos de APD.

Lidar en estado sólido – Semiconductores en vez de componentes mecánicos

Los sensores lidar en estado sólido suponen una opción alternativa más robusta y compacta. Confían en los semiconductores en vez de los componentes mecánicos en el momento de dirigir el haz de luz. Hay 2 versiones: una con espéculos basados en MEMS y otra con matrices ópticas en fase (optical phased arrays – OPA).

Los modelos con espéculos basados en MEMS emplean una matriz de microespejos, cada uno de ellos de ellos con longitud de borde de unos pocos micrómetros. Cambian entre 2 situaciones múltiples miles y miles de veces por segundo, movidos por los campos electrostáticos. Este género de sensores lidar se emplean en aplicaciones como escáneres de cajas de adquiere o bien proyectores DLP (procesamiento digital de luz – digital light processing), con lo que se trata de una tecnología testeada con costos de producción parcialmente bajos.

Sin embargo, en las aplicaciones de automoción, los sensores deben cumplir requisitos considerablemente más rigurosos. Por poner un ejemplo, requieren un FOV más extenso en comparación con sistemas de adquiere POS o bien proyectores. Con una frecuencia de escaneado de más de cien Hz, las soluciones existentes ofrecen ángulos de cuarenta °; los sistemas MEMS con ángulos superiores ya se hallan bajo desarrollo.

Con los sensores lidar que emplean matrices OPA, un modulador deja que un pulso cubra una mayor área y altera la fase de la luz emitida por cada diodo láser. La tecnología aún está en fase de investigación. Una variación emplea un circuito de silicio que solo mide varios milímetros cuadrados como substituto de la unidad de transmisor y detector giratorios. Para apoyar salidas superiores y un FOV más extenso, se están realizando test con longitudes de onda que llegan más lejos en el rango de infrarrojos que los novecientos cinco nm que se emplean de manera convencional hoy en día. Por poner un ejemplo, una longitud de onda de mil quinientos cincuenta nm no es perjudicial para los ojos, mas podría verse perjudicada de forma negativa por la nieve o bien la lluvia. Acá asimismo se requieren otros detectores.

Muchas tecnologías transforman la ciencia ficción realmente científica

Si bien nos hallamos a ciertos años de conseguir que la conducción autónoma sea como la descrita en las películas de ciencia ficción, cada sistema de asistencia – que puede ser el control de crucero adaptativo (ACC), el asistente de frenado de urgencia (EBA) o bien la alarma de cambio involuntario de carril (LDW) – supone un paso más para lograr la meta. Para muchos de ellos, lidar es un componente principal, que debe conjuntarse totalmente con otras tecnologías como sensores de ultrasonidos, cámaras y soluciones de radar –porque cada tecnología tiene sus puntos fuertes y enclenques.

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